[發明專利]用于確定接頭的至少一個特性的方法和系統

有效

• 申請號: 201380055381.7
• 申請日: 2013-10-21
• 公開（公告）號: CN104736307A
• 公開（公告）日: 2015-06-24
• 發明（設計）人: 克拉斯·尼爾森
• 申請（專利權）人: 康格尼博提克斯股份公司
• 主分類號: B25J9/16
• 分類號: B25J9/16
• 代理公司: 北京安信方達知識產權代理有限公司 11262
• 代理人: 韓輝峰;鄭霞

本發明涉及一種用于確定伺服控制的機械運動(如操縱器的接頭)的至少一個特性的方法和系統。

機器人已經在許多工業領域中得到了廣泛應用。具體而言，某些工業領域涉及執行對人類健康而言危險的任務或者在人類無法承受的條件下進行勞動。其他的工業領域涉及重復性任務，這種任務用機器人來執行可以高效且精確得多。

工業機器人典型地包含一個操縱器，該操縱器被設計成用于操縱或處理工件和材料。該操縱器正常地具有一種臂狀的安排，該安排由一系列區段組成，每個區段稱為一個鏈節。這些區段中的每一個的運動有時是平移運動與繞軸線的旋轉運動的組合。在其他情況下，該運動只由平移或旋轉運動組成。這兩種運動變體均賦予了每個鏈節圍繞或沿著下文將被稱為接頭的物體的機械自由度。接頭的變體，如球形接頭，可以被認為是這些簡單的平移或旋轉接頭的組合，并且這些類型的接頭的形式等效物是與在機器人學文獻中存在的廣義坐標的概念一致的。對應地，分別將力和扭矩認為是等效的，正如對于位置和角度也是如此。

接頭典型地通過一個伺服控制的馬達來致動，該馬達經由來自該馬達的所測量的運動的反饋被控制。該馬達經由傳動系來致動該接頭，該傳動系包含多個齒輪和其他傳動元件以用于將馬達旋轉還原成接頭旋轉。為了本申請的目的，術語傳動系應被解釋為不包括該馬達。這些傳動元件的目的是減小速度并且由此增加扭矩。

傳動系在所謂的直接驅動機器人中是多余的，但是，由于影響此類機器人的固有問題，尤其是在一個末端器(工具)與工件之間的力相互作用過程中的控制剛度方面，幾乎所有現代機器人都建造有用于每個接頭的一個專用的傳動系。

致動器應被解釋為馬達(及其引出的軸)或能夠將能量轉換成傳動系上的機械效果的另一種類型的裝置。雖然為了本申請的目的并不認為該傳動系是該致動器的一部分，但用于測量該馬達角度的傳感器是其一部分。其輸出值被稱為致動器位置。接頭角度正常地僅經由該致動器來測量。為此原因，傳動元件需要以高精度和品質來制造，從而使得該操縱器的運動將精確地對應于所執行的致動。然而，最終用戶典型地并不愿意接受由使用高品質材料而強加的價格提高，因而供應商被迫用在低價區段中的部件來制造這些操縱器。

大多數現代的工業操縱器具有六個自由度(DOF)，即，它們具有串聯連接的六對旋轉接頭和鏈節。最后的鏈節以用于安裝該末端器(工具)的一個工具凸緣或末端凸緣終止。對于直接將該末端器安裝到該凸緣上的一個替代方案是使用一個工具交換器，該工具交換器由安裝在該操縱器的末端凸緣上的一個操縱器部分和為相應的工具提供安裝表面的一個工具部分組成。這兩個工具交換器部分是可拆卸的、并且可以借助于一個例如通過氣動力學被致動的鎖定機構來鎖定在位。這允許該工具的更換得到簡化。于是該工具的自動更換，即在不涉及手動工作的情況下，可以通過該機器人停靠到一個所選工具處來完成，之后該所選工具借助于該工具交換器的鎖定機構牢固地附接到該操縱器。

該操縱器的運動可以由操作員手動完成或者通過根據定義了機器人任務的用戶程序來執行指令而自動進行。在后一種情況下，該操縱器是由加載到或進入一個控制器中的該用戶程序來控制的，該控制器控制該操縱器從而引導其達到一個所編程的姿勢。這樣一個姿勢由針對所希望的末端器布局的位置和取向組成。因此，該控制器是該機器人的、控制該操縱器(包括其接頭)的運動的部分。

為了支持手動地或者在該用戶程序中、并且可能來自CAD數據而進行的對于末端器姿勢的高效指定，該控制器含有該操縱器的運動學模型。這樣的模型包括這些接頭和這些鏈節以及它們的幾何關系的一個模型。

在機器人應用中，例如在制造工廠中的工業機器人中，非常有價值的是，所獲得的實際姿勢在某些公差之內與所編程的姿勢相符。如果并非如此的話，這意味著在所編程的姿勢與實際姿勢之間存在偏差。這種偏差可能在單一位置或在沿一條路徑的多個位置、或在該機器人的任何使用中出現。由用戶經由在用戶程序中進行調節或者通過對(略微偏差的)所編程的姿勢的示教來管理偏差，限制了機器人任務的重新使用并增加了機器人編程和部署的成本。

在機器人學的早期，重大的偏差是由于有缺陷的控制造成的，但是從20世紀80年代中期開始，機器人與其所編程的運動的偏差主要是由于操縱器特性以及缺少對(如在這些操縱器特性中反映的)傳動系不精確性的控制補償。更確切地，該控制器通常具有適當的結構和功能性、但是缺少使單獨操縱器支持此類補償的實際的機器人特有的數據。因此需要著手解決這些缺點以便將所編程的運動與實際運動之間的偏差最小化。